巴西水域生物光学数据库BRAZA的构建及其在水质遥感监测中的应用研究

本研究针对巴西广阔水域水质监测资源不足的挑战，由巴西国家空间研究所(INPE)牵头，联合17家机构构建了首个覆盖巴西全境的生物光学数据库BRAZA。研究团队整合了2,895个站点的遥感反射率(Rrs)与水质参数(如Chl-a、TSS、aCDOM(440))同步测量数据，通过严格质量控制建立了包含7种光学水类型(OWTs)的标准数据集。该成果为开发适应亚马逊浑浊水体至沿海富营养化水域的遥感算法提供了关键基础，显著提升了热带地区水质遥感监测精度，相关数据已开源共享于Figshare平台。

　　

巴西作为全球水资源最丰富的国家之一，却面临着非法采矿、森林砍伐和城市化等多重威胁下水质恶化的严峻挑战。传统水质监测方法受限于采样频率和空间覆盖度，难以捕捉亚马逊河等动态水体的快速变化。更棘手的是，巴西水域具有极高的光学复杂性——从富含有机质的黑河到浑浊的亚马逊干流，再到圣保罗的富营养化水库，光学活性成分(OACs)的混合模式千差万别。这种多样性使得直接套用海洋遥感算法会产生显著偏差，亟需建立本土化的生物光学数据库来支撑精准遥感监测。

巴西国家空间研究院(INPE)地球科学协调部的Daniel Andrade Maciel团队联合国内外17家机构，历时近十年构建了首个覆盖巴西全境的生物光学数据库BRAZA。这项发表在《Scientific Data》的研究整合了2,895个站点的多源数据，涵盖128个湖泊、河流及沿海水域。研究人员采用标准化质量控制流程，包括光谱角度制图(SAM)分类和定量水质指数多项式(QWIP)验证，最终建立了包含7种光学水类型(OWTs)的参考数据集。特别值得注意的是，该数据库首次系统收录了亚马逊洪泛区湖泊的高浊度水体(OWT-7)和东南部富营养化水库(OWT-5/6)的典型光谱特征，为区域特异性算法的开发奠定了基石。

研究团队主要运用了四种关键技术：1)多平台辐射测量系统，包括TriOS-RAMSES(3.3 nm带宽)和ASD FieldSpec(2.2 nm带宽)等设备采集水面下辐照度(E_s)与水色辐射(L_w)；2)七步光谱质量控制流程，通过基线偏移(BS)和氧吸收信号(OS)等标志筛选异常数据；3)光学水类型分类系统，基于Pahlevan等提出的21类简化框架；4)多参数水质分析，包括90%丙酮萃取法测叶绿素a(Chl-a)和480°C煅烧法测无机悬浮物(TSI)。

数据集组织与质量控制

研究创建的数据库包含三个核心表格：rrs.xlsx记录400-900 nm波段遥感反射率，stations.xlsx存储地理信息和水质参数，flags.xlsx标注685条异常光谱。质量控制发现25%数据在700 nm后出现负值，主要源于水面耀斑校正残余。通过专家三重验证，最终剔除明显不符合光学规律的数据，如高浊度水体中的异常蓝波段反射峰。

光学特性空间变异

数据显示巴西亚马逊流域站点(如帕拉州)呈现典型高浊度特征，中值TSS达25.5 mg L^-1，Z_sd仅0.36 m；而米纳斯吉拉斯州的特雷斯玛丽亚斯水库则代表清澈水体(OWT-3)，透明度达3.08 m。特别值得注意的是，黑河流域站点表现出极强的CDOM吸收(a_CDOM(440)=3.07 m^-1)，这与富含腐殖质的水体特性相符。

光学水类型分布

基于2,895条光谱的SAM分类显示：OWT-7(极高浊度)占41.7%，主要分布在亚马逊流域；OWT-4(中等浊度)占25.8%，多见于沿海水域；而富营养化特征的OWT-5/6仅占1.3%，集中出现在圣保罗的比尔ings水库等人工水体。这种分布格局清晰反映了巴西水域的光学梯度特征。

这项研究创建的BRAZA数据库突破了热带水域遥感监测的数据瓶颈，其创新性主要体现在三个方面：首先，首次系统整合了巴西五种水文生态区的生物光学特征，特别是填补了亚马逊浑浊水体遥感反演的数据空白；其次，建立的标准化质量控制框架为全球类似数据库的建设提供了范本；最后，开源的数据策略直接支持了联合国可持续发展目标(SDG)6.3的水质监测需求。正如作者指出，该数据库已成功应用于Landsat-8和Sentinel-2的水透明度反演算法开发，未来还可支撑新型卫星(如PRISMA)在复杂内陆水体的性能验证。随着更多机构的参与，BRAZA有望发展成为南半球最具代表性的生物光学数据库之一。